Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Такой переключатель, работающий с задержкой по времени, поможет нам разобраться в странных результатах экспериментов Новика и Уэйнера. Разная реакция на лактозу у двух генетически одинаковых E. coli может объясняться разной историей этих бактерий. Не расщепляющая лактозу бактерия сопротивляется включению, тогда как вошедшая во вкус сопротивляется выключению. И оба типа бактерий способны передавать свое состояние последующим поколениям. При этом передачи разных генов не происходит. Просто одни бактерии передают потомкам много встроенных в мембрану молекул пермеазы и много плавающих внутри клетки молекул лактозы. Другие не передают ни того, ни другого.

А если к подобному переключателю добавить неравномерное производство белков, то это и будет рецепт индивидуальности E. coli. Когда колония E. coli получает немного лактозы, то у некоторых бактерий сразу же возникает гигантский всплеск производства белков, кодируемых генами лактозного оперона. Бактерии преодолевают порог, начинают расщеплять лактозу и остаются в таком состоянии, даже если ее концентрация падает. Другие E. coli в ответ на появление лактозы не производят никаких белков и по — прежнему не могут утилизировать лактозу. Так генетически идентичные клоны обретают индивидуальность в результате случайных событий.

В создании индивидуальности E. coli участвует также дополнительный механизм передачи наследственной информации. К части бактериальной ДНК присоединяются так называемые метильные группы[13]. ДНК как бы покрывается этими молекулами, состоящими из атомов водорода и углерода, — метилируется[14]. Метильные группы изменяют реакцию генов E. coli на внешние сигналы. Они способны заблокировать тот или иной ген, не повредив его, на все время жизни бактерии. При делении E. coli передает схему расположения метильных групп своим потомкам. Известно, однако, что при определенных условиях микроорганизм способен очистить свою ДНК от метильных групп и заменить их новыми в других местах; почему так происходит, ученые пока не знают.

Некоторые факторы, оказывающие влияние на E. coli, влияют и на человека. Наша ДНК тоже содержит метильные группы, и на протяжении жизни их расположение может меняться. Изменения могут быть чисто случайными, а могут определяться действием питательных веществ или токсинов. Так, даже если гены у однояйцевых близнецов изготовлены под копирку, то расположение метильных групп у них различается уже к моменту рождения и с годами разница лишь усиливается. Изменение схемы расположения метильных групп на хромосомах может сделать человека предрасположенным к раку и другим заболеваниям в большей или меньшей степени. Возможно, именно этим объясняется тот факт, что продолжительность жизни однояйцевых близнецов нередко сильно различается. Эти близнецы вовсе не одинаковы.

Кстати говоря, различное расположение метильных групп является одной из причин того, что клоны людей и животных не могут быть идеальными копиями оригинала. В 2002 г. техасские ученые сообщили о получении из генов трехцветной кошки по кличке Рейнбоу первого клонированного котенка — самочки, которую они назвали Сиси (точнее, Сс — условное обозначение поля «Копия» в электронной почте, где указываются дополнительные адреса). Однако Сиси оказалась совершенно не похожа на Рейнбоу. Если Рейнбоу отличалась белым окрасом с коричневыми, бежевыми и рыжими пятнами, то Сиси была белой в серую полоску. Рейнбоу робка, Сиси общительна. Рейнбоу склонна к полноте, Сиси худа и активна. Возможно, что эти различия объясняются иной схемой метилирования. И всплески производства тех или иных белков у них происходят по — разному. Сами молекулы, из которых они состоят, делают их не похожими друг на друга.

Индивидуальность E. coli должна послужить по меньшей мере предостережением для тех, кто готов свести природу человека к простому генетическому детерминизму. Живые организмы — не просто программы, задаваемые генами. Даже крошечным бактериям одинаковые гены и абсолютно идентичная генетическая структура могут подарить разную судьбу.

Глава 4. Путеводитель наблюдателя за E. coli

Человеческий кракатау

26 АВГУСТА 1883 Г. родился новый маленький мир. Островной вулкан Кракатау, расположенный в Зондском проливе между Явой и Суматрой, выбросил в воздух на 20 миль в высоту столб дыма и пепла. Камни превратились в пар, который с ревом мчался по проливу со скоростью едва ли не 500 км/ч. После извержения на месте, где находился конус вулкана, осталась подводная впадина и несколько безжизненных островков. Натуралист, посетивший один из островов девять месяцев спустя, написал, что единственным живым существом, которое ему удалось обнаружить на острове, был крохотный паучок.

Новые острова Кракатау лежат в сорока с лишним километрах от ближайшей суши, и жизни потребовался не один год, чтобы перебраться через водную преграду и вновь освоить эти земли. Сначала поверхность вулканического пепла затянула пленка сине — зеленых водорослей. Появились лишайники, мхи и папоротники. К концу XIX в. на островах образовалась саванна. Помимо пауков появились жуки, бабочки и даже вараны. Представители одних видов приплыли на острова, другие прилетели, а некоторых просто принесло ветром.

Биологические виды осваивались на островах вовсе не беспорядочно. Сначала появлялись выносливые первопроходцы, которые затем заменялись другими биологическими видами. Постепенно саванна уступила место лесам. Выросли кокосовые пальмы и фиговые деревья. После этого на острова уже могли переселяться орхидеи, инжирные наездники и другие привередливые виды. Первопоселенцы, такие как полосатая горлица, больше не находили себе места в пищевой цепи и в конце концов исчезли. Даже сегодня, 120 лет спустя после извержения, освоение Кракатау еще не закончилась. В будущем эта земля, возможно, будет готова принять бамбук, который произведет в ее экосистеме очередную революцию.

История Кракатау вполне соответствует общим экологическим правилам, которым жизнь следует везде, где появляются новые места обитания. Вулканические извержения опустошают острова. Оползни очищают от жизни горные склоны. Ледники тают, изменяя при этом береговую линию.

И рождаются дети. Для бактерий новорожденный ребенок — это настоящий Кракатау, ждущий своих колонизаторов. В момент рождения его тело почти полностью свободно от микроорганизмов, но в первые же несколько дней его заселяют E. coli и другие виды бактерий. Они образуют новую экосистему, которая будет жить и взрослеть вместе с ребенком, сопровождая человека на протяжении всей его жизни. Она также развивается во времени согласно собственным экологическим принципам.

Вообще, жизнь E. coli намного сложнее, чем то, что мы видим в чашке Петри. Беззаботное существование в лаборатории не предъявляет к бактерии почти никаких требований. По результатам исследований из 4288 генов, которые ученым удалось идентифицировать у E. coli К-12, лишь 303 действительно необходимы бактерии для жизни в лаборатории. Это не означает, однако, что остальные 3985 генов совершенно бесполезны. Все они помогают E. coli отстоять свои позиции в густонаселенной экосистеме человеческого кишечника, где за пищу конкурируют тысячи видов бактерий.

Исследователь, изучающий кишечную палочку в пробирке, может попросту не заметить некоторые главнейшие стратегии, при помощи которых этот микроорганизм выживает в реальном мире. Хотя E. coli изучают уже больше ста лет, только в последние годы ученые начали понимать, насколько это общественное существо. Чтобы выжить, E. coli нередко приходится работать коллективно. Бактерии общаются между собой и сотрудничают. Миллиарды их объединяют усилия на строительстве огромных микробных городов и вместе сражаются с врагами.

В реальном мире не существует одного универсального способа быть кишечной палочкой. E. coli К-12 — всего лишь один из множества штаммов, которые живут внутри теплокровных животных, и стратегий выживания у них множество. Одни всего лишь пасутся в кишечнике и совершенно безобидны. Другие защищают нас от инфекций. Третьи убивают в год не по одному миллиону человек. Знакомиться с E. coli через один только штамм К-12 — все равно что знакомиться с семейством Canidae (собачьи) исключительно на примере шпица, мирно дремлющего на шелковой подушечке. Вне поля зрения при этом окажутся и динго, и большеухая лисица, и рыжий волк, и чепрачный шакал.

В поисках дома

E. coli по природе своей первопроходец. Задолго до того, как большинство других бактерий устроилось в человеке — хозяине, E. coli уже основала там жизнеспособную колонию. E. coli способна инфицировать младенца уже в процессе родов, воспользовавшись пальцами врача, или перебраться на младенца с матери во время кормления. На волнах перистальтики она добирается до желудка, где ей приходится выдержать кислотную ванну. Ионы водорода (протоны) из соляной кислоты желудочного сока просачиваются внутрь бактерии, но E. coli встраивает в мембрану дополнительные насосы, которые успешно выбрасывают большую часть пришельцев наружу. Следует отметить, что в желудке E. coli не пытается вести себя как нормальная бактерия; вместо этого она входит в физиологическое состояние, которое один ученый определил как «состояние дзен». Бактерия полностью прекращает производство каких бы то ни было белков, за исключением тех, что нужны ей для защиты от кислоты.